2014工程光学第五章.ppt

第五章 光学系统的光束限制 5.1 概述 组成光学系统的所有零件都有一定的尺寸大小 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为“通光孔径” 光阑的定义： 光阑在光学系统中的作用： 决定像面的照度。 光阑按上述的作用分为： 孔径光阑 视场光阑 消杂光光阑 渐晕光阑 以普通照相机来说明光阑 视场光阑 限制物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围的光阑称为视场光阑。 消杂光光阑 这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只限制那些从非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑称为消杂光光阑。 光束限制的共轭原则 孔径光阑的判断 孔径光阑的判断 将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去，系统的孔径光阑的像必然是其中对物面中心的张角为最小的一个。 例5-1 例5-2 孔径光阑的判断 解：由于透镜1的前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。 先求透镜2被透镜1所成的像。因为 f1’= - f1 =100mm，l’ = 20mm，利用高斯公式： 再求光阑3被前面光组所成的像。 先求光阑3被透镜2所成的像，再求该像被透镜1在物空间所成的像。 y2对透镜1来说是像，故 y1 = y2 =13.33mm 再对透镜1求此像所对应的物，仍利用高斯公式： 物点A对光阑D1’ 的张角 将此光阑Q1Q Q2通过其前面的透镜成像到物空间去，则其像P1PP2 就决定了光学系统的物方孔径角（由孔径光阑决定的光锥角称为孔径角）U 孔径光阑Q1QQ2被其后面的透镜（光组）在像空间所成的像P1PP2 称为出射光瞳，简称出瞳，其决定了系统像方孔径角U 入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射光瞳 通过入射光瞳中心的光线称为主光线 对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数 显微系统和投影系统的物镜常用nsinUmax表示，被称之为数值孔径，用NA表示，即 望远系统和摄影系统常用相对孔径A来表示 必须注意： 1）对轴上点：孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。 结论1：轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响，孔径角U由光阑决定，光阑的位置不同，其口径应不同。 5.3 视场光阑 与孔径光阑类似，视场光阑被其前面的光组在整个系统的物空间所成的像称为入射窗（简称入窗）。 把孔径光阑以外的所有光孔通过其前面的光组成像，则在这些像中入射窗对入瞳中心的张角为最小。 把除孔径光阑外的所有光孔通过其后面的光组在整个系统的像空间成像时，出射窗对出射光瞳中心的张角为最小。 出射窗限制了像方视场范围 入射窗和出射窗共轭。 光学系统的视场大小用两种方法表示 线视场：对近距离成像的光组，视场光阑多为矩形、方形及圆形。若为圆形，用直径度量；但若为矩形，应用对角线来表示。这就是线视场的度量。 视场角：对远距离或无限远物体成像的光组，常用角度来表示其视场的大小 这就是前面谈到过的物方视场角2ω和像方视场角2ω。，很多情况下，我们都用半视场ω来表示。 视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的 当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替 综上所述，孔径光阑和视场光阑是光学系统中起重要作用的两种光阑， 前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的照度。 后者决定视场，即物体被成像的范围。 切不可把孔径光阑和视场光阑混为一谈 渐晕现象：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径所拦截的 现像。(视场光阑与物面或者像面都不重合时） 在多数情况下，入射窗并不能完全决定光学系统的成像范围 在物面上按其成像光束孔径角的不同可分为三个区域： 第一个区域是以B1A为半径的圆形区，其中每个点均以充满入射光瞳的全部光束成像 此区域之边缘点B1由入射光瞳下边缘P2和入射窗下边缘点M2的连线所确定。 第二个区域是以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内，每一点已不能用充满入瞳的光束成像，在含轴面内看光束，由B1点到B2点，其能通过入射光瞳的光束，由100%到50%渐变，这就是轴外点的渐晕现象。 此区域的边缘点B2由入射光瞳中心P和入射窗下边缘M2的连线确定 第三个区域是以B2B3绕光轴旋转一周所形成的环形区域， 在此区域内各点的光束渐晕更为严重，由B2点到B3点，其渐晕系数由50%降低到0。 B3点是可见视场最边缘点，它由入射光瞳上边缘点P1和入射窗下边缘点M2的连线所决定。 以上三个区域只是大致的划分，实际上在物平面上，由B1到B3点的渐晕系数由100%到0是渐变的，并没有明显的界限 用眼睛通过放大镜观察物面时，由放大镜和眼睛组成的光学系统就是这样。 消除渐晕的条件：